Folyamattan gyakorlat. 2017/ félév BME-KKFT Készítette: Stelén Gábor

Átírás

1 Folyamattan gyakorlat 2017/ félév BME-KKFT Készítette: Stelén Gábor 1

2 Gőz-folyadék egyensúly Folyadékelegyek szétválasztása rektifikálás Szükségesek a gőz-folyadék egyensúlyi adatok Ideális elegyek Raoult-törvény érvényes Az Antoine-konstansokból kiindulva számolhatók az egyensúlyi adatpárok Nem ideális elegyek koncentráció helyett aktivitás Aktivitási koefficiens (γ): ideálistól való eltérés Különböző aktivitási koefficiens modellek különböző együtthatók Modell Wilson NRTL UNIQUAC Kölcsönhatási paraméterek A ij, A ji B ij, B ji ; α: nem-idealitást jellemző konstans; 0,2 és 0,3 közötti érték ΔU ij, ΔU ji 2

3 Gőz-folyadék egyensúly UNIFAC modell: csoport járulék módszer A UNIQUAC modellből kiindulva fejlesztették ki A molekulákat különböző csoportokból építi fel - csoportokra jellemző, mért paraméterek R és Q csoportjellemzők R: térfogattal kapcsolatos; Q: felülettel kapcsolatos paraméter Az egymáshoz közel elhelyezkedő csoportok hatással vannak egymásra csoport kölcsönhatási értékpárok Fredenslund: Group-Contribution Estimation of Activity Coefficients in Nonideal Liquid Mixtures Ha egyáltalán nincs gőz-folyadék egyensúlyi adat egy elegyre, akkor ajánlott Ha csak a szoftver adatbázisában nincs adat regresszálás javasolt Modellek közti különbségek vizsgálata egyensúlyi és forrponti diagrammok; shortcut számítások 3

4 Egyensúlyi diagrammok Plot TPXY ; illékonyabb komponens van elöl; izoterm vagy izobár Adatok diagrammon és táblázatban 4

5 Forrpont-harmatpont görbe 5

6 Egyensúlyi görbe 6

7 Shortcut kolonna A Fenske, az Underwood és a Gillian egyenleteket használja fel Meghatározható: minimális tányérszám, minimális refluxarány, valós tányérszám, valós refluxarány 7

8 Modellek összehasonlítása Feladat: benzol-toluol és ecetsav-víz elegyek szétválasztásának modellezése Shortcut kolonna segítségével, a segédletben megadott betáplálási paraméterekkel A különböző modellekkel készült egyensúlyi és forrponti diagrammok összehasonlítása A különböző modellekkel végzett szimulációk során kapott eredmények összehasonlítása 8

9 Ha a szoftver adatbázisa nem tartalmaz mérési adatot Modellelegy: víz-gamma valerolakton (GVL) Alapértelmezett modell: UNIFAC Probléma: azeotrópot és folyadék-folyadék megoszlást mutat egy olyan elegyre, amelyikre egyik sem jellemző Megoldás: Regresszálás Kísérlettel meghatározott kölcsönhatási paraméterek használata Regresszálás előtt válasszuk ki azt a modellt, amelyiket alkalmazni szeretnénk Regresszálás: Thermophyical/Regress BIPs Kölcsönhatási paraméterek beírása: Thermophysical/Edit BIPs Gőz-folyadék egyensúlyi adatok: Mérés útján Interneten elérhető cikkek D csarnok, bejárat melletti szekrény szürke könyvek 9

10 Modellek összehasonlítása Feladat: víz-gvl elegy szétválasztásának modellezése Shortcut kolonna segítségével, a segédletben megadott betáplálási paraméterekkel A különböző modellekkel készült egyensúlyi és forrponti diagrammok összehasonlítása A különböző modellekkel végzett szimulációk során kapott eredmények összehasonlítása Kölcsönhatási paraméterek a különböző modellekhez: Modell Kölcsönhatási paraméterek Wilson A ij = 1463,2; A ji = 1225,0 NRTL B ij = 907,42; B ji = -4,412; α = 0,26684 UNIQUAC ΔU ij = -223,49; Δu ji = 712,91 10

11 Szétválasztási sorrendek

12 Heurisztikus szabályok Közel ekvimoláris tápösszetétel és szomszédos páronként közel azonos relatív illékonyságok esetén az egyenes sorrend a kedvezőbb. Szomszédos páronként közel azonos relatív illékonyságok esetén a nagy koncentrációjú komponenst célszerű elválasztani a többitől. A valamilyen szempontból nehéz (pl. közeli relatív illékonyságok, ha az egyik komponenst nagyobb tisztaságban/nagyobb visszanyeréssel kell kinyerni a többitől, azeotrópok) vágásokat célszerű a szétválasztás végére hagyni Kedvező, ha egy-egy vágásnál a desztillátum és a maradék mólárama megegyezik.

13 A modellezési feladat Benzol-toluol-xilol elegy szétválasztása egyenes, majd fordított sorrenddel Egyszerűsített költségszámítás alapján a két elválasztási módszer összehasonlítása Termodinamikai modell: NRTL Rögzített változók: p=1 atm q=1 Az elegy tömegárama: 1 t/h Az elegy összetétele: m/m% (BTX) Először Shortcut kolonnán modellezzük az elválasztást A Shortcut modellezés során kapott tányérszámból és betáplálási helyből kiindulva SCDS kolonnán modellezzünk Optimalizálás: tányérszám-forraló hőigénye; betáplálási hely-refluxarány Optimalizálás után: egyszerűsített költségszámítások

14 Folyamatábra

15 Shortcut számítások

16 Az SCDS kolonna

17 Specifikációk

18 Kolonna paraméterei

19 A 2. oszlop Elméleti tányérszám: 36 Betáplálás helye: 19. tányér Desztillátum specifikáció: 99,9 tömegszázalék toluol Maradék specifikáció: a xilol 99,9 tömegszázaléka kerüljön bele Oszlop paraméterei: Tányéros oszlop Oszlop anyaga: szénacél Kolonna átmérő: 0,5 m Vastagság: 0,05 m Anyag sűrűsége: 7800 kg/m3 Install factor: 3 Tányértávolság: 0,5 m Valós tányérszám: 34

20 Optimalizálás tányérszám (független változó)

21 Optimalizálás tányérszám (függő változó)

22 Optimalizálás - tányérszám

23 Optimalizálás betáplálási hely (független változó)

24 Optimalizálás betáplálási hely (függő változó)

25 Optimalizálás betáplálási hely

26 Költségszámítás Optimális paraméterek: 34 tányér; betáp a 21. tányéron Az oszlop beruházási költségének számításánál figyelni kell arra, hogy a forraló és a kondenzátor is egy elméleti tányérnak számít! (32 a valós tányérok száma) Hűtővíz: belépő hőmérséklete 20 C, kilépő hőmérséklete 35 C, fajhője az átlagos hőmérsékleten 4,18 kj/kg*k Hűtővíz ára: 0,5 $/t 8 bar nyomású fűtőgőz párolgáshője: 2027,136 kj/kg 8 bar nyomású fűtőgőz ára: 30 $/t Éves üzemórák száma: 8000 óra; amortizáció: 10 év TAC = UC + IC/10

27 További feladatok A második oszlop optimalizálása Költségszámítás a második oszlopra Fordított sorrenddel ugyanezeket megcsinálni Egyenes és fordított sorrend összehasonlítása

28 Csoportos feladat A feladat n-hexán (500 kg/h), ciklohexán (100 kg/h), izooktán (200 kg/h) és n-oktán (200 kg/h) szétválasztása úgy, hogy mind a négy komponenst legalább 95 mol% tisztaságban kapjuk meg. Összesen 5 féle sorrendben lehet szétválasztani az elegyet, a gyakorlaton maximum kettőt modellezhettek. A heurisztikus szabályok, relatív illékonyságok, valamint a megadott adatok ismeretében először döntsétek el, mely esete(ke)t modellezitek, majd Shortcut modellezés után állítsatok össze SCDS kolonnákat! Az SCDS kolonnákat optimalizáljátok, majd számoljatok éves költséget! Rögzített változók: Atmoszférikus nyomáson történik a rektifikálás A betáplálás forrponti A kiindulási elegy összetétele nem változik A költségszámításhoz felhasználandó adatok ugyanazok, melyeket az előző gyakorlaton használtatok

29 Azeotrópok szétválasztása Heteroazeotróp rektifikálás Kétnyomásos rektifikálás Extraktív desztilláció Molekuláris desztilláció AZEOTRÓP DESZTILLÁCIÓ Azeotróp desztilláció során a kétkomponensű elegyhez harmadik komponenst adnak Cél: új, alacsonyabb forrpontú azeotróp képzése Terner azeotróp keletkezik, mely elválasztható a kinyerendő komponenstől (pl. etanoltól) Terner azeotróp dekantálás; szétválik szerves és vizes fázisra, a szerves fázist az oszlopra visszavezetik

30 Etanol-víz elegy folyamatos azeotróp desztillációjának modellezése ChemCad-ben A modell elemei: Előfrakcionáló kolonna azeotróp összetételig rektifikáljuk az etanol-víz elegyet Azeotróp kolonna 3. komponens segítségével itt valósul meg a tiszta etanol elválasztása Dekanter szerves és vizes fázis szétválasztása Keverő a visszavezetett szerves fázis, valamint a friss harmadik komponens (makeup) összekevereése 3. kolonna (opcionális) a vizes fázis szétválasztását végzi; fejtermék: etanol-víz elegy, melyet visszavezetünk az azeotróp kolonnára; fenéktermék: víz. Újdonságok az eddigiekhez képest: A termodinamikai modell kiválasztásánál engedélyezni kell a folyadék-folyadék megoszlást (screenshot a következő dián) Dekanter: FLASH nevű műveleti egység- alkalmas gőz és folyadék szétválasztás, egyensúlyi desztilláció, valamint dekantálás modellezésére Recirkuláció modellezése a recirkulációs áramnak kezdeti értékeket (nyomás, hőmérséklet, összetétel, anyagáram) kell megadni Kontroller absztrakt műveleti egység, mellyel a szükséges makeup mennyisége meghatározható

31 A feladat 1500 kg/h ekvimoláris összetételű, forrponti etanol-víz elegy elválasztása atmoszférikus nyomáson azeotróp desztillációval Alkalmazott segédanyag: n-pentán A segédanyag visszavezetendő az azeotróp kolonnára Elérendő tisztaság: 99 mol% Termodinamikai modell: NRTL

32 Előfrakcionáló és azeotróp kolonna Előfrakcionáló shortcut modellezéssel, majd a korábban tanult optimalizációval találjuk meg az optimális beállításokat úgy, hogy a fejtermék azeotróp összetételű etanol-víz elegy legyen! Azeotróp kolonna lehet shortcutban modellezni, vagy irodalmi adatokat felhasználni kezdeti tányérszámnak és betáplálási helynek Legyen 30 tányéros; a pentánt a 9., az elegyet a 10. tányéron tápláljuk be! Specifikációk: legyen a refluxarány 1-es (később lehet optimalizálni), a fenéktermékben pedig minimális pentán jelenjen meg (pentán recovery) Kezdeti pentán mennyiség: 1000 kg/h; optimális pentán mennyiség sensitivity study Azért nem az etanol tisztaságot rögzítettük alul, hogy lehessen választani a fenéktermékben az etanol moltörtjét függő változónak Független változó: pentán mennyisége 4000 kg/h pentán körül már 99 mol% az etanol tisztasága a fenékben

33 A pentán optimális mennyiségének meghatározása

34 A pentán optimális mennyiségének meghatározása

35 Az előfrakcionáló és az azeotróp oszlop

36 Dekanter FLASH műveleti egység Működési mód: meg kell adni a gőz/folyadék hányadot és a nyomást V/F nagyon kicsi szám (nulla nem lehet), ezzel biztosítjuk, hogy az elegy folyadékállapotban maradjon Nyomás ha nem adunk meg semmit, a bemenő áram nyomásával számol 3 kimenet gőzfázis, szerves folyadék fázis, vizes folyadék fázis A szerves folyadék fázist recirkuláltatjuk

37 Recirkuláció - bekötés

38 Recirkuláció - beállítás Bekötés a mixerbe Futtatás előtt: a recirkulációs áramnak kezdeti értékeket kell megadni, ahonnan elkezd iterálni A recirkulációs áramot pirossal jelzi a program ez esetben az 5-ös az említett áram Kezdeti értékek: az azeotróp kolonna fejtermékének adatai Ezután az eredeti pentán betáp tömegáramát le kell csökkenteni 0 közelébe ez lesz a makeup áram Figyeljünk arra, hogy a makeup hőmérséklete a recirkulációs áram hőmérsékletéhez közel legyen!

39 Jelölése a palettán: Absztrakt műveleti egység Nem reprezentál fizikai eszközt Anyagáram- vagy eszközváltozókat lehet vele beállítani Két mód: Feed forward: a kiszámított adatokat továbbítja egy adott eszköznek Feed backward: egy változót állít be úgy, hogy egy adott feltétel teljesüljön Visszacsatolt módban célszerű azután az áram/műveleti egység után elhelyezni, melyre a megadott feltétel vonatkozik Állítsuk be a makeup áramát úgy, hogy az össz bemenő pentán tömegárama megegyezzen az összes kimenőével! Kontroller

40 Kontroller VÁLTOZTASSUK a makeup áram (4-es) tömegáramát a megadott határokon belül ADDIG, AMÍG a recirk áramban (5-ös) a pentán tömegárama EGYENLŐ nem lesz a megadott értékkel. Érdemes a makeup tömegáram kezdeti értékének azt megadni, ami az alsó korlát Ha nem konvergál egyből a kontroller: Futtatás újra Tűrés növelése Iterációk számának növelése

41 Kész folyamatábra

42 Gyakorló feladatok A következő anyagokból indulj ki: víz, metanol, etanol, izopropanol, n-butanol. Vizsgáld meg a felsorolt anyagokból összeállított 3, valamint 4 komponensű elegyeknek a szétválasztási lehetőségeit (egyenes vagy fordított sorrendben)! Összetételek (illékonyság szerinti sorrendben, moltörtben): 0,4-0,3-0,3 a háromkomponensű; 0,4-0,1-0,3-0,2 a négykomponensű elegyekre. A betáplálás minden esetben forrponti, elérendő tisztaság: minimum 95 mol% minden termék esetén. Optimalizáld az egyes oszlopokat a tanultak alapján, és a korábban feltüntetett adatokból kiindulva végezz egyszerűsített költségvizsgálatokat, melyek alapján összehasonlíthatóak a különböző rendszerek! Modellezd az etanol-víz elegy azeotróp desztillációját más segédanyagokkal (pl. benzol, ciklohexán)! Határozd meg az optimális segédanyag mennyiséget recirkuláció nélkül, valamint a makeup mennyiségét recirkuláció esetén! Az etanolt 99 mol% tisztaságban kellene elválasztani, a betáp elegy 2000 kg/h tömegáramú, ekvimoláris, forrponti etanol-víz elegy.